復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路隧道洞口危巖穩(wěn)定性評價研究

【摘 要】危巖落石對于隧道洞口、鐵路沿線造成嚴重危害，以某復(fù)雜艱險山區(qū)隧道研究對象，利用現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等手段對隧道洞口危巖落石穩(wěn)定性進行評價，并提出相應(yīng)的防護措施。研究表明：（1）隧道洞口危巖在天然工況、暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；（2）根據(jù)模擬試驗結(jié)果，得出危巖體失穩(wěn)影響范圍為250～300 m；（3）為保證線路安全，在洞門上方布置被動防護網(wǎng)及擋石墻，橫洞洞口右側(cè)設(shè)置主動網(wǎng)。所得結(jié)果可以為相似條件下隧道洞口穩(wěn)定性評價提供參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】鐵路隧道； 危巖落石； 赤平投影法； 穩(wěn)定性評價

【中圖分類號】U453.1【文獻標志碼】A

0 引言

隨著“西部大開發(fā)”、“一帶一路”等一系列國家戰(zhàn)略的實施，水利和交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷向自然環(huán)境更為復(fù)雜的西部地區(qū)延伸。我國西部地區(qū)多高原、盆地、山川，地質(zhì)條件惡劣，在這種條件下修建隧道，不可避免會遇到危巖、落石、崩塌等災(zāi)害，對隧道洞口、鐵路沿線造成嚴重危害［1-4］。因此，對隧道洞口危巖落石進行穩(wěn)定性研究，保障洞口結(jié)構(gòu)安全及線路平穩(wěn)運行，顯得十分重要。

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對隧道洞口危巖落石災(zāi)害進行了研究。王廣坤等［5］以RHRS評價系統(tǒng)為基礎(chǔ)，基于泊松分布提出了威脅區(qū)內(nèi)落石災(zāi)害年均概率的計算方法；鞏尚卿［6］等通過分析落石災(zāi)害的致災(zāi)過程，由模糊主觀的定性評價轉(zhuǎn)向清晰客觀的定量評價，設(shè)置相應(yīng)風(fēng)險水平，建立落石災(zāi)害危險性概率風(fēng)險評價體系；王玉鎖等［7］參考有關(guān)道路邊坡落石風(fēng)險評估技術(shù)提出采用初步定性評估和細部定量評估的隧道洞口段危巖落石風(fēng)險評估方法；葉四橋［8］基于RHRD準則，定量分析各種危巖落石的影響因素，得到了隧道洞口段危巖落石災(zāi)害的風(fēng)險等級；相志強［9］采用層次分析法，對危巖落石災(zāi)害的風(fēng)險進行了綜合性的評價與判段；張麗娜［10］采用Rocfall軟件對危巖體進行穩(wěn)定性分析，計算出危巖體運動軌跡以及沖擊能量；賀建軍等［11］采用靜力分析法計算危巖穩(wěn)定性并，通過數(shù)值模擬軟件分析其失穩(wěn)后的運動特征，有針對性地提出防護建議。

綜上所述，諸多學(xué)者對隧道洞口危巖穩(wěn)定性評價進行了深入研究，但評價體系并不完善，本文以復(fù)雜艱險山區(qū)某鐵路隧道工程為依托，采用定性與定量相結(jié)合的分析方式，分析了隧道洞口處危巖落石的成因及其影響，通過對邊坡及危巖體進行穩(wěn)定性評價分析，得到了其穩(wěn)定性系數(shù)及安全等級，并通過數(shù)值模擬研究危巖體在不同工況下的影響范圍，可為本隧道安全施工以及安全防護提供可靠的技術(shù)支撐，同時為鐵路沿線其他隧道洞口危巖落石的評價及防護提供可靠的技術(shù)支撐和指導(dǎo)。

1 工程概況

該隧道出口所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2g；屬于凍融區(qū)。該隧道進口所處斜坡坡度30°～40°，坡向157°，巖層產(chǎn)狀：60∠72，65∠87，主要巖性為列衣組（T2ly2）灰-深灰色變質(zhì)砂巖。巖體主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：185∠63，160∠62，300∠77，巖體多被切割呈板狀、塊狀，坡腳發(fā)育崩積物堆積體，同時由于公路開掘，內(nèi)側(cè)斜坡削坡嚴重，坡度較大，局部發(fā)育凹腔，巖體局部穩(wěn)定性較差，河流右岸發(fā)育大量崩塌危巖體WY1、WY2、WY3、WY4，如圖1所示，巖層陡傾坡外，易發(fā)滑移或傾倒式破壞。

通過物理力學(xué)試驗，得到結(jié)構(gòu)面及巖體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2 斜坡及危巖穩(wěn)定性評價方法

2.1 穩(wěn)定性定性分析

影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的最重要的因素是巖質(zhì)邊坡不連續(xù)面的方向（幾何特性）和剪切特性（粗糙度、填充物）。巖質(zhì)邊坡的破壞一般可根據(jù)規(guī)模分為平面滑動破壞、楔形破壞、傾倒破壞，如圖2所示。

赤平投影分析方法可以確定邊坡與臨空面與巖體中結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)面組合切割體可能失穩(wěn)滑移的方向。因此，使用赤平投影法對危巖體邊坡穩(wěn)定性進行定性評價分析，如圖3所示。

從圖中可以看出，該邊坡傾角較小，結(jié)構(gòu)面3與邊坡面呈大角度相交，3組結(jié)構(gòu)面發(fā)育于邊坡中，且均為高角度結(jié)構(gòu)面。根據(jù)繪制的赤平投影圖，對結(jié)構(gòu)面進行兩兩組合分析，結(jié)果：

（1）J1與J2結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，位于邊坡投影弧的內(nèi)側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于邊坡角，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑移式破壞。

（2）J1與J3結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧對側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相反，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡與巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）J2與J3結(jié)構(gòu)面組合其交點位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，位于邊坡投影弧的內(nèi)側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向相對一致，傾角小于邊坡角，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑移式破壞。

綜上所述，由于2組結(jié)構(gòu)面組合形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，所以該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由工程地質(zhì)勘察資料可知，邊坡巖體多被切割呈板狀、塊狀，坡腳發(fā)育崩積物堆積體，巖體局部穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生掉塊、滾石災(zāi)害，其破壞形式為滑移傾倒式破壞。

2.2 穩(wěn)定性定量分析

鑒于研究區(qū)危巖體存在方式的特殊性，采用定性分析來判斷危巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)是不夠全面的，因此還需借助量化分析對不同工況下危巖穩(wěn)定性進行判斷與評價。

計算危巖體穩(wěn)定性時，參照GB 51180-2016《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》［12］中相關(guān)分析計算公式。

2.2.1 滑移式危巖

滑移式危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)計算方法為式（1）。

K=（Wcosθ-Qsinθ-V）tanφ+c（H－h(huán)）sinθWsinθ+Qcosθ（1）

式中：K，危巖穩(wěn)定性系數(shù)；W，危巖體自重（kN/m）；θ，潛在滑動面傾角（°）；Q，地震力（kN/m），按公式Q=ξe*W確定；V，裂隙水壓力（kN/m）；hW，裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ，水的重度，取10 kN/m3；c，巖體粘聚力標準值（kPa）；φ，巖體內(nèi)摩擦角標準值（°）；H，落石總高度（m）；h，落石后卸荷裂隙發(fā)育深度（m）。

2.2.2 傾倒式危巖體

傾倒式危巖的穩(wěn)定性系數(shù)計算方法可分為式（2）和式（3）。

重心位于傾覆點內(nèi)側(cè)時：

Kn=flkH-hsinβH-h2sinβ+bcosαcos（β-α）+WaQh0+VH-hsinβ+hw3sinβ+bcosαcos（β-α）（2）

重心位于傾覆點外側(cè)時：

Kw=flkH-hsinβH-h2sinβ+bcosαcos（β-α）Wa+Qh0+VH-hsinβ+hw3sinβ+bcosαcos（β-α）（3）

式中：K，危巖穩(wěn)定性系數(shù)；W，危巖體自重（kN/m）；θ，潛在滑動面傾角（°）；Q，地震力（kN/m），按公式Q=ξeW確定；V，裂隙水壓力（kN/m）；hW，裂隙充水高度（m），取裂隙深度的1/3；γ，水的重度，取10 kN/m3；α，基座面傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負；β，后緣卸荷裂隙傾角（°），外傾取正，內(nèi)傾取負；flk，危巖體抗拉強度標準值（kPa）；H，落石高度（m）；h，落石后卸荷裂隙發(fā)育深度（m）；h0，重心到傾覆點垂直距離（m）；a，重心到傾覆點平距（m）；b，后緣裂隙未貫通下端到傾覆點水平距離（m）。

2.3 危巖穩(wěn)定性狀態(tài)劃分標準

按危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)K來對危巖體穩(wěn)定性進行量化判斷，根據(jù)DB50/143—2003《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》［13］可建立如下評價標準，如表2所示。

3 穩(wěn)定性評價計算結(jié)果

3.1 極限平衡計算結(jié)果

基于極限平衡計算，結(jié)合危巖穩(wěn)定性狀態(tài)評價標準，得出危巖體在自然、地震、暴雨、凍融四種工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果，如表3所示。

結(jié)果表明，WY1、WY3在天然、暴雨、凍融工況下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 危巖體滑移模擬

本文采用采用二維離散元（UDEC）對危巖在天然與地震工況穩(wěn)定性進行計算分析，對該斜坡用離散元軟件建立模型進行分析，分別計算天然和地震工況下極限滑移距離。坡度為30°，危巖體范圍為高4 m，長10 m。

計算結(jié)果如圖4、圖5所示，滑移范圍如圖6所示。

離散元數(shù)值模擬結(jié)果顯示，地震狀態(tài)下WY1極限滑移250 m至坡底，WY3極限滑移300 m至坡底。

3.3 防治措施

該處隧道洞口邊坡危巖在地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且研究區(qū)位于地震頻發(fā)區(qū)，危巖體失穩(wěn)會對沿線鐵路及附屬結(jié)構(gòu)有一定影響，建議采取一些防護措施：

（1）WY3位于隧道進口右上側(cè)，在地震工況下穩(wěn)定性較差，但滑動方向不與線位相交，且危巖體下部已存在滑塌，對其下部設(shè)置被動防護網(wǎng)以及擋石墻以保證施工安全，并做好監(jiān)測工作。

（2）WY1比較靠近鐵路沿線，建議對斜坡表面危巖碎石進行清理，并對靠近鐵路沿線一側(cè)進行掛網(wǎng)噴錨支護，并做好監(jiān)測工作。

（3）隧道洞口上方設(shè)置被動防護網(wǎng)以及擋石墻，進一步阻擋危巖落石掉塊。

4 結(jié)束語

本文以復(fù)雜艱險山區(qū)隧道工程為依托，分析了隧道洞口處危巖落石的成因及其影響，通過對邊坡及危巖體進行穩(wěn)定性評價分析，得出結(jié)論：

（1）研究區(qū)危巖落石主要是由于其獨特的地質(zhì)構(gòu)造運動，經(jīng)過長期自然風(fēng)化、凍融、侵蝕作用形成。

（2）根據(jù)赤平投影法初步分析，該處邊坡受結(jié)構(gòu)面作用處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根據(jù)極限平衡計算，WY1、WY3在地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)可能性較大。

（4）根據(jù)模擬試驗結(jié)果，得出危巖體失穩(wěn)影響范圍為250～300 m。

（5）為保證線路安全，在洞門上方（仰坡外側(cè)）布置被動防護網(wǎng)及擋石墻，橫洞洞口右側(cè)設(shè)置主動網(wǎng)。

（6）所得結(jié)果可以為相似條件下隧道洞口穩(wěn)定性評價提供參考借鑒。

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［基金項目］中國鐵路設(shè)計集團有限公司科技開發(fā)項目（項目編號：2020YY230103）

［作者簡介］王成（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為隧道及地下結(jié)構(gòu)工程。